鈦醫療種植體的加工

   時間:2014-03-12 03:43:46
鈦醫療種植體的加工簡介
醫療裝置製造商面臨諸多棘手的挑戰。他們的客戶要求使用難於加工的材料,例如鈦,生產出微小的、更複雜的零件而且要求非常精密。最重要的是他們必須按嚴格的規章操……
鈦醫療種植體的加工正文

醫療裝置製造商面臨諸多棘手的挑戰。他們的客戶要求使用難於加工的材料,例如鈦,生產出微小的、更複雜的零件而且要求非常精密。最重要的是他們必須按嚴格的規章操作,需要符合多方面的、嚴密的文件要求。
矯形裝置的設計需要符合骨骼和關節的複雜形狀,因而這些零件的加工也很複雜。從棒料加工出來的這些裝置,需要切掉大量的材料,因而由於許多材料的切削性能指數低,使工序很昂貴。所以,一些零件鑄造成接近零件的最終形狀,這經常需要複雜且昂貴的夾具。另一個加工複雜性的問題是大多數裝置物需要嚴格的公差??0.002英寸或更小。
由於這些壓力,引出新技術幫助製造醫療零件的車間應對競爭。Agile的12軸車床、新等級的刀片和創新的迴轉法螺紋加工機能生產這些複雜零件,精度非常高;電火花加工中的許多創新,使高質量零件的生產更快,消除了許多老加工技術中固有的問題。

 

醫療裝置特別精密

鈦的問題
不鏽鋼與鈦是醫療植入物用得最多的材料。不鏽鋼通常用於不是永久性置入體內的種植體。鈦通常寧願用於醫療種植體,是由於它的重量輕、強度高及其生物相容性。另外,鈦種植體可用於磁共振成像和計算層析X射線攝影法成像診斷程序,因而,種植體植入后不會影響病人進行這些診斷程序。
鈦6AL-4V ELI是用於製造胯關節、接骨螺釘、膝關節、板形骨或器官、假牙和外科裝置的標準材料。但是,鈷鉻合金由於其堅硬、更緊密的粒度和比鈦更潔凈,會越來越經常使用。
加工鈦合金比加工鋼所需的切削力只略微大一點,但是,鈦合金的冶金特性使其比相當硬度的鋼更難於加工。
鈦有一種加工硬化性,這種特性消除了切削刀具前面的固結金屬(卷邊)。這有助於加大加工中的剪切角,因而形成薄的切屑,與切削刀具表面在相當小的面積上接觸。由於這加工硬化性,在刀具與工件運動接觸中,進給不應停止。這樣在加工中產生的大的支承力,結合在接觸區由切屑所產生的摩擦力,導致在刀具局部區熱量大大增加。切削鈦所產生的熱量,不會很快消散,因為它是不良導體。因此,大部分熱量集中在切削刃和刀具表面。
大的承受力和熱量,在切削刃附近形成月牙窪,導致刀具迅速損壞。更糟的是,鈦合金在刀具的工作溫度下,有很強烈的傾向與刀具中的材料熔合成合金或再起化學變化,還有一種趨勢是當切屑黏結到刀具切削刃上時,導致刀具表面損傷。
當刀具開始磨損時,這些困難會加倍,因而,用於加工鈦及其合金的刀具應該認真監視,確保刀刃鋒利,磨鈍前要進行更換。加工鈦及其合金的經驗是,如果在加工過程中,見到任何變化,就應該立即換刀,因為變化意味著刀具要變鈍了。
另一個保持刀具鋒利的原因是,當用磨損或損壞的刀具切削時,鈦可能導致著火。當燃燒時,金屬產生氧,因而火會自燃。所以,許多加工鈦的車間不報火警,他們在機床上裝備滅火系統。鈦的彈性模數相當低,比鋼具有更高彈性,因而在加工時會趨向於偏離切削刀具,除非要保持重切削或用作適當的支持。細長的零件在刀具壓力下,趨向於偏轉,導致刀顫、刀具磨擦和工差的問題。另外,整個系統的剛性很重要,要使用鋒利、正確形狀的刀具。
12軸控制意味著更少裝卸工件
在醫療行業中,特別迫切需要降低生產複雜零件的成本。這就導致產生先進的、有12個軸運動的機床,能夠以任何空間包絡,全部定位,同時,增加一次裝夾的加工工序數目,不用重新定位或裝卸。
例如,Tornos Technologies US Corp.() 生產的12軸車削中心,一次裝夾,所有12 軸聯動,生產複雜零件。除了加工複雜零件,機床還提供精密的精度和好的表面光潔度。Tornos 的 2000系列車削中心的控制系統,配合軟體,能在Windows PC上運行複雜零件的程序。軟體編寫使控制系統的中央時鐘用作電子凸輪,模擬傳統的、運行凸輪的機床。

Tornos12軸車削中心有帶中央時鐘
??電子凸輪軸??虛擬電子凸輪
同時控制所有軸

軸的路徑通過數據處理來計算,由控制系統儲存成數據表。每個軸有它自己的控制晶元(類似於「電子凸輪」),只儲存它的刀具路徑表,即在1或2軸中的運動順序。時鐘信號發生器每8毫秒讀取和執行一步。一個數據表用於控制刀具路徑軸,另一個控制主軸速度、轉動和停止,第3個用於機床功能。每個零件的數據表是離線編程。
中央時鐘同步多個,單個的刀具路徑。在使用凸輪的機床中的圓周在360?內。在Tornos的機床上,用存儲的程序代替凸輪,消除了機床上物理角度限制。控制系統并行地讀取數據,不是一次一個地讀,因而機床能有4把刀具同時切削。
車削刀片 為了提高生產率,降低刀具成本,山特維克(Sandvik Coromant)(/us) 最近推出一系列車削胯關節用的圓刀片。當用於外部車削球狀和窩狀胯關節中的球狀骨臼時,該公司指出,在優化粗切工序直接從鑄件加工時,使用這些刀具可以提供安全和生產率的平衡。
在粗切應用中,這種刀片的圓形提供強的切削刃,防止過度的磨損凹口,因而刀具的變化較小。因為這些刀片加工產生的溫度較低,所以操作者可以提高進給和速度,以提高生產率。該公司也提供帶正的、D型刀片的刀柄,用於精車和球形車削。當接近加工部位受到限制時,也可用其進行內部車削。
Sandvik Coromant的圓形刀片適合於該公司的CoroTum 107鏜桿及其可達到正確切刃中心高度的EasyFix方法。
該公司指出,圓刀片和D型刀適於加工鈦和鈷鉻種植體。當用圓刀片加工鈷鉻時,該公司推薦的牌號GC1030、GC1105級是D型刀片和鈷鉻的最佳等級;當用圓形和D型兩種刀片加工鈦時,H13A級達到最佳效果。
迴轉法加工螺紋 為了使外科醫師使用更方便,醫療零件越來越複雜。但是,這複雜性需要新的裝置,用於特殊的車削和銑削工序,產生所需的複雜形狀。例如,Tornos 巳經設計了一種新的迴轉法加工螺紋的設備,用來加工一些接骨螺釘的大螺旋角。
不像切螺紋和攻絲,迴轉法加工螺紋產生乾淨的輪廓,不帶毛刺。迴轉法加工螺紋可以用於外部切螺紋和內部攻絲。這工序在一台自動車床上進行,需要主軸轉速30,000轉/分。
當內螺紋攻絲時,主軸軸線必須平行於被加工零件運轉。內部迴轉過程比傳統攻絲快60%。另外,刀具使用壽命較長,Tornos介紹,可加工2500個零件,刀具不會損壞。切削速度高,因而加工時間短。沒有毛刺和殘留切屑,螺紋切削的深度可以大於螺紋直徑的3倍。甚至於能加工到盲孔的底部。
對於外部螺紋,裝到車床尾端的一個裝置,根據被加工零件螺旋角旋轉和傾斜。加工是由一個球形刀具完成的,該刀具包括3把與被加工螺紋截面相同的刀。驅動用迴轉法加工螺紋的刀具的主軸,以高速旋轉(12,000轉/分),同時零件在相反方向,以低速同時迴轉。進給率與兩迴轉同步,該過程繼續到所需的螺紋長度都加工完。硬金屬刀具必須與被生產的螺紋有相同的形狀。
因為刀具以與零件相反的方向高速旋轉,所以被加工的螺紋表面很完美,避免了有時在用傳統螺紋銑削方法加工時所見到的不合要求的表面。
迴轉法加工螺紋也消除了從導向道退出長的棒料,因而有助於避免由於過長的伸出而卡住。
更好的電火花加工 電火花加工(EDM),因為不受工件硬度的影響,是生產複雜、高精度醫療裝置經常使用的方法,能用於加工硬的、難於加工的合金。但是,這方法有兩方面
影響鈦:首先,它改變鈦零件表面上天然的、高度防腐蝕氧化物塗層的顏色,使鈦由灰色變為淺藍色。其次,更麻煩的是,在電火花加工過程中,銅和鋅的微滴,從金屬絲再澱積在被加工零件的表面。這回鍍需要昂貴的清理過程,因為銅是適生物排斥的。
夏米爾技術(Charmilles Technologies)() 巳經開發了一種新型的電火花加工機(稱為CleanCut),該公司稱,切削比以前的技術更快,能加工出更清晰的形狀。這加工機可以減少電火花加工不合要求的表面質量。通過產生交替的正、負放電,CleanCut 加工機消除了鈦零件表面變藍。另外,夏米爾稱,這加工機大大減少了鈦表面的銅污染,降低了加工后清理成本。
微成型 醫療零件尺寸越來越小,強度越來越高的趨勢,使Phillips Plastics Corp. () 開發一種微鑄工藝,用來加工鈦制醫療零件,尺寸小到0.0001立方英寸。雖然該工藝遵循與大多數其它注塑模金屬同樣的準則,但鈦通常會產生粗糙的表面和較薄的壁截面。該工藝的優點,包括材料利用率高,損耗低,型腔到型腔之間重複性高和+60.001英寸的高精度。
滿足聯邦政府各項法規 美國食品及藥物管理局嚴格的質量系統要求,規管醫療裝置製造商的業務。這些質量標準需要製造醫療裝置的製造商,對一個零件所採取的每一個動作,製造商要持有聲明文件。所有材料(棒料和鑄件)要編號,所有文件必須匹配。如果任何時候,書面資料的系列號與材料不符,則整批必須報廢。
為了既符合食品和藥物管理局的規定,又盡量提高機床的生產率,美國田納西州Memphis的Odyssey Medical () 竭盡全力提高過程的質量。Odyssey巳實行了嚴格的過程式控制制用以證明和一種過程式控制制技術,稱為預先控制,監控零件公差和加工過程中穩定性的。預先控制擴大了標準過程的控制圖表,使操作者在出故障前調整好機床的偏置。Odyssey技術服務部總裁Tim Gooch解釋道:「零件的規格控制零件的可接受性,但預先控制可以控制操作者的動作。」這技術把公差帶分為綠色、黃色和紅色區,中間50%的公差帶是操作者的目標工作範圍。任何兩個連續的零件,超過這更嚴格的公差,都會告知操作者調整機床的偏置。相反,連續的零件偏差相反,表示這過程不穩定需要調整。超出公差範圍的零件當然報廢。

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